張嘉琪，任志遠(yuǎn)

（陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，西安710119）

全球環(huán)境變化（特別是氣候變化）是當(dāng)前科學(xué)界和決策界的關(guān)注熱點［1］。IPCC第5次評估報告中指出：近110年（1901—2012年）全球平均地表溫度上升了0.89℃（IPCC，2013）。全球變暖使水循環(huán)過程變化速度加快，對地表的水熱平衡狀況產(chǎn)生影響，使地表干濕狀況以及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)發(fā)生改變。因此，近年來有關(guān)干濕氣候變化的研究受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注［2－4］。而研究濕潤指數(shù)的長期變化有助于了解在全球變暖背景下氣候干濕狀況的演變特征，它能夠客觀地反映某一地區(qū)的水熱平衡狀況，優(yōu)點在于綜合考慮溫度、降水對水分收支的影響，在區(qū)域生態(tài)景觀區(qū)劃以及生態(tài)環(huán)境評價中具有重要意義。其有相關(guān)文獻(xiàn)表明，濕潤指數(shù)作為一個理想的指標(biāo)在中國典型干旱區(qū)研究中得到較好的應(yīng)用［5］。

柴達(dá)木盆地是我國的干旱半干旱氣候區(qū)，地處西北內(nèi)陸，受夏季風(fēng)影響較弱，加之青藏高原的隆升阻擋了來自印度洋、孟加拉灣的水汽，使得該地成為青藏高原氣候變化最為敏感的地區(qū)，其水熱平衡狀況必將會影響到整個青藏高原干濕狀況的變化。近年來國內(nèi)外基于濕潤指數(shù)進(jìn)行區(qū)域干濕狀況的研究已取得大量成果，并就暖濕化與暖干化趨勢進(jìn)行了廣泛的討論［6－8］。柴達(dá)木盆地濕潤程度的變化趨勢也得到了一定的關(guān)注，有大量文獻(xiàn)表明自20世紀(jì)80年代中后期以來該區(qū)域正在由暖干化向暖濕化轉(zhuǎn)型［9－12］，但大多數(shù)學(xué)者對該區(qū)域的干濕程度研究僅就氣溫降水的時空變化進(jìn)行討論，利用濕潤指數(shù)討論干濕變化空間差異的研究還很少。因此，本文以濕潤指數(shù)來研究柴達(dá)木盆地地表干濕狀況的時空演變特征，在研究1977—2010年時空變化的基礎(chǔ)上，討論各個氣候因子的演變趨勢，研究地表濕潤狀況特征與氣象因子的關(guān)系，更好地揭示在氣候變暖的背景下柴達(dá)木盆地干濕程度分布的空間差異性，為該區(qū)內(nèi)區(qū)域變化甚至青藏高原氣候的變化研究提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

柴達(dá)木盆地位于青藏高原北部，海拔高度2 675～3 350m，是我國四大盆地海拔最高的高原型盆地，總面積約275 000km2。地處青海省西北部，東臨青海省的海北和海南兩個自治州，西達(dá)新疆，南通西藏，北抵甘肅，地理位置在東經(jīng)90°16′—99°16′、北緯35°00′—39°20′，位于中緯度西風(fēng)帶和東亞季風(fēng)系統(tǒng)的交界地帶。屬西北干旱區(qū)，典型的高原大陸性氣候。盆地內(nèi)年平均氣溫為2℃，但年內(nèi)變化差異較大，最低在1月份，平均為－15～－10℃，最高在7月份，平均為15～17℃。年降水量的地域分布不均勻，大部分地區(qū)在150～300mm，中心地區(qū)年降水量小于50mm，西北部僅為25mm左右。盆地內(nèi)太陽輻射強(qiáng)，日照時數(shù)在3 100h以上。

1.2 數(shù)據(jù)來源

選取柴達(dá)木盆地8個氣象站點（大柴旦、德令哈、都蘭、格爾木、冷湖、茫崖、諾木洪、小灶火）1977—2010年逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、氣壓、相對濕度、風(fēng)速、日照時數(shù)資料。統(tǒng)計基本氣候要素的月、季、年平均序列資料，季節(jié)劃分：3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月—翌年2月為冬季。上述數(shù)據(jù)由中國氣象局國家氣象信息中心（http：∥www.nmic.gov.cn）提供。

1.3 研究方法

1.3.1 濕潤指數(shù)（K） 濕潤指數(shù)的計算基于下式：

K＝R／ET

式中：R——月降水量（mm／d）；ET——月潛在蒸散量（mm／d）；其中對于ET的計算采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）推薦的計算蒸散量的標(biāo)準(zhǔn)方法Penman－Monteith模型。P－M模型是目前公認(rèn)的無論在濕潤還是干旱地區(qū)計算潛在蒸散量精度較高的方法之一。許多研究結(jié)果也表明在不同的氣候條件下P－M公式計算的潛在蒸散量都與實測值非常接近［13－17］。

計算公式如下：

式中：ET——潛在蒸散量 （mm／d）；Rn——凈輻射［MJ／（m2·d）］；Rns——凈短波輻射；Rnl——凈長波輻射；G——土壤熱通量密度［MJ／（m2·d）］；γ——干濕常數(shù) （kPa／℃）；Δ——飽和水汽壓曲線斜率（kPa／℃）；T——月平均氣溫（℃）；U2——2m 高處風(fēng)速（m／s）；es——飽和水汽壓（kPa）；ea——實際水汽壓（kPa）；σ——Stefan－Boltzmann常數(shù)（4.903×10－9MJ／（K4·m2·d）；Ra——大氣頂層的太陽輻射［MJ／（m2·d）］；n——實際日照時數(shù)（h）；N——最大日照時數(shù)（h）；α——地表反射率，取值0.23；Tmax，k——最高 絕 對 氣 溫 （K）；Tmin，k——最 低 絕 對 氣 溫 （K）；a——云全部遮蓋下（n＝0）大氣外界輻射到達(dá)地面的分量；b——晴天（n＝N）大氣外界輻射到達(dá)地面的分量。這里a和b的取值沒有采用FAO推薦的值（a＝0.25，b＝0.5），而是根據(jù)祝昌漢的研究［18］按照青藏高原區(qū)給出經(jīng)驗系數(shù)，柴達(dá)木盆地屬于青藏高原的一部分，這樣取值更符合研究區(qū)實際情況（a＝0.183，b＝0.681），其余各項參數(shù)的計算均采用FAO的標(biāo)準(zhǔn)；i——月份；Ti＋1，Ti－1——第i＋1，i－1月的氣溫（℃）。

干濕狀況的劃分基于《聯(lián)合國關(guān)于在發(fā)生嚴(yán)重干旱和／或荒漠化的國家特別是在非洲防治荒漠化的公約》［19］制定的中國干濕氣候分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。其中：K＜0.03極干旱氣候區(qū)；0.03＜K＜0.2干旱氣候區(qū)；0.2＜K＜0.5半干旱氣候區(qū)；0.5＜K＜1.0半濕潤氣候區(qū)；K＞1濕潤氣候區(qū)。

1.3.2EOF EOF（Empirical Orthogonal Function），稱為經(jīng)驗正交函數(shù)分解，是一種分析矩陣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征，提取主要數(shù)據(jù)特征向量的方法。這種分析方法是對時空數(shù)據(jù)變量矩陣進(jìn)行正交函數(shù)展開，將變量場分解為正交空間場與正交空間系數(shù)的乘積，實現(xiàn)給定模態(tài)的時空變化規(guī)律。公式如下：

S（x，y，t）＝∑Vn（x，y）Tn（t）

式中：S（x，y，t）——m×n的矩陣，代表m個空間點n次觀測值構(gòu)成的變量；Vn（x，y）——m×n的空間特征向量；Tn（t）——m×n的時間系數(shù)特征向量；n——第n個模態(tài)的時空分布特征。本研究根據(jù)經(jīng)驗正交函數(shù)原理，將濕潤指數(shù)分解成空間分布和時間系數(shù)并得出二者的特征值，將特征值由大到小排列，根據(jù)North檢驗方法對特征向量進(jìn)行顯著性檢驗，選取前34個主要模態(tài)，再根據(jù)Scree檢驗規(guī)則，選取其中4個主要模態(tài)來解釋二者的時空變化。

1.3.3 偏相關(guān)分析 偏相關(guān)分析是對其他變量的影響進(jìn)行控制的條件下，研究多個變量中某兩個變量之間的線性相關(guān)程度。此方法考慮了各變量之間的相互影響，比起相關(guān)分析能夠合理地描述兩個變量間實際的相關(guān)程度。本研究通過Matlab軟件進(jìn)行偏相關(guān)系數(shù)的計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕潤指數(shù)時空變化特征

2.1.1 濕潤指數(shù)年際變化及四季變化特征 研究期間，柴達(dá)木盆地的濕潤指數(shù)呈波狀增加趨勢，增加速率為0.000 97a－1，相關(guān)系數(shù)為0.120 8，未通過顯著性檢驗。7a滑動平均變化趨勢大致可分為3個階段，1990年前上升趨勢最為顯著，90年代有所下降，之后緩慢上升，最大的波峰值出現(xiàn)在1989年和2003年。濕潤指數(shù)的變化受降水量和潛在蒸散這兩個氣候因素變化速率的制約，計算得到研究區(qū)內(nèi)平均降水量由70年代末的82.3mm增加到2000年代的106.6 mm，34a間增加速率達(dá)0.736mm／a。蒸散量整體呈波浪型減小趨勢，變化速率為－3.03mm／a，自1977—2000年代平均潛在蒸散量下降了近100mm?？梢娬羯⒘康南陆邓俣缺冉邓吭黾拥乃俣瓤?，加之氣溫正在以每年0.077℃的速度在上升，使研究區(qū)內(nèi)近年來暖濕化趨勢愈加明顯。對1977—2010年濕潤指數(shù)進(jìn)行Mann－Kendall突變檢驗可知，在α＝0.05的顯著性水平下，UFk與UBk相交于1987年左右，且交點在臨界線之間，說明在1987年柴達(dá)木盆地發(fā)生了由濕向干的轉(zhuǎn)變，這可能是由于當(dāng)年的降水量偏少而氣溫較高造成蒸發(fā)旺盛所導(dǎo)致的。

不同季節(jié)的濕潤指數(shù)（K值）年際變化也存在著顯著差異（圖1）。夏季的濕潤指數(shù)最大，多年平均值為0.168 4，其次是冬（0.076 6）春（0.074 3）季，秋季（0.062 4）最低。相對于濕潤指數(shù)的年際變化而言，夏季（傾向率為0.001 5a－1）和冬季（傾向率為0.000 3 a－1）的變化趨勢與年際變化相類似，先后經(jīng)歷了“增加—減少—增加”的趨勢，變化幅度較為平緩。春季增減變化趨勢相比夏季、冬季更為明顯，各個階段的變化速率較大，但整體變化速率卻為0.000 3a－1。秋季的濕潤指數(shù)變化傾向率最大（0.001 5a－1），變化趨勢與其他季節(jié)不同，先后經(jīng)歷了“減少—增加”的趨勢。從整體來看，夏季是濕潤程度最高的季節(jié)，秋季是濕潤化程度最快的季節(jié)。

圖1 濕潤指數(shù)四季變化趨勢

2.1.2 濕潤指數(shù)的空間分布特征及變化傾向率 柴達(dá)木盆地濕潤指數(shù)的空間分布主要表現(xiàn)為東西部差異（圖2a），濕潤程度由東向西逐漸遞減，各站點平均濕潤指數(shù)為0.01～0.23。東部德令哈和都蘭地區(qū)屬干旱半干旱氣候區(qū)，向西逐漸過渡為干旱氣候區(qū)，冷湖和小灶火地區(qū)為極干旱區(qū)。這與降水量的分布規(guī)律基本一致。干濕程度的分布與當(dāng)?shù)氐乩砦恢煤偷乩憝h(huán)境差異是密不可分的，由于該地盛行西風(fēng)，西部受風(fēng)速的影響較大，強(qiáng)化了該地的干旱程度。東部由于受青藏高原地形的影響，西風(fēng)的北支氣流與南支氣流在青藏高原東部匯合，形成準(zhǔn)靜止氣團(tuán)，而柴達(dá)木盆地的東部處于青藏高原東北部，距離濕潤氣流較近，因而濕潤程度比西部高。

如圖2b所示，柴達(dá)木盆地內(nèi)濕潤指數(shù)年際變化總體上呈弱的增加趨勢，傾向率為0.000 97a－1［0.000 13a－1～0.003 43a－1］。其中東北部的德令哈地區(qū)濕潤化程度最快，向西擴(kuò)展?jié)駶欀笖?shù)逐漸減小。對比圖2a和圖2b可以發(fā)現(xiàn)，東部濕潤指數(shù)較高的地區(qū)傾向率增加幅度也較為明顯，反之亦然。二者的空間變化分布型相一致。濕潤指數(shù)較高的地區(qū)空間變化傾向率也較大，如德令哈，但變化不顯著。中西部的濕潤指數(shù)較低，空間變化率也較低。變化傾向率最小的茫崖顯著性通過了0.01，此外，小灶火、大柴旦、都蘭傾向率稍高，變化也較為顯著（P＜0.05）。

圖2 濕潤指數(shù)空間分布及空間變化傾向率

2.1.3 濕潤指數(shù)異?？臻g分布 圖3為柴達(dá)木盆地濕潤指數(shù)的4個主要EOF模態(tài)的空間分布型。圖3a是第一特征場，是方差貢獻(xiàn)率（95.43%）最大的空間分布型。從空間分布及時間系數(shù)（圖略）來看，1977—2010年柴達(dá)木盆地濕潤指數(shù)常年保持著東到西逐漸遞減的變化趨勢，西部和南部出現(xiàn)負(fù)的高值區(qū)，并且這種分布型呈上升趨勢，以1989年和2002年最為典型。對比圖3a與圖2a可以發(fā)現(xiàn)，EOF異常空間分布第一模態(tài)與各站點濕潤指數(shù)的空間分布極為相似。從地形分布來看，東部海拔較高，多鹽湖與沼澤地，西部有大片沙漠，表明東部地表濕潤程度確實比西部濕潤程度高。

圖3b是第二特征場，代表了南北空間差異，南部出現(xiàn)了負(fù)的高值區(qū)，北部出現(xiàn)了正的高值區(qū)，即北部地表濕潤程度比南部高。時間系數(shù)正負(fù)交替出現(xiàn)且變化比第一模態(tài)較大，1993年和2008年出現(xiàn)正向典型分布，1987年，1998年，2005年出現(xiàn)了反向典型分布，即北部地表較干旱，南部地表較濕潤。從長期變化趨勢來看，這種分布型呈上升趨勢。圖3c是第三特征場?？臻g分布出現(xiàn)了明顯的正負(fù)值中心區(qū)域。正值中心分布在大柴旦附近，負(fù)值中心分布在德令哈附近。時間系數(shù)年際震蕩較為明顯，且正負(fù)交替變化頻繁，1991年和2009年正向分布型最典型，2009年反向分布型最典型。這種分布趨勢從長期變化看呈下降趨勢。

圖3d是第四特征場。代表了東西空間差異，東部出現(xiàn)了閉合的負(fù)高值區(qū)，西部出現(xiàn)正的高值區(qū)。時間系數(shù)震蕩比其他模態(tài)更為明顯，并且負(fù)值逐漸比正值有優(yōu)勢，典型性有所增加。正負(fù)空間分布型處于交替變化中，其中2005年和2008年正向空間分布非常典型。

2.2 濕潤指數(shù)與氣候因子影響分析

為分析研究區(qū)內(nèi)影響濕潤指數(shù)變化的主導(dǎo)氣候因子，本文選取柴達(dá)木盆地各站點的氣壓、風(fēng)速（動力因子）、氣溫、日照時數(shù)（熱力因子）、相對濕度、降水量（濕度因子）等氣候要素討論對地表濕潤特征的影響。由于各氣候因子的單位、量綱和范圍都不盡相同，所以對各個氣候因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理并做趨勢分析（圖4）。由于以上6個氣候因子之間存在很強(qiáng)的自相關(guān)性，為避免多重共線性的影響，本文計算偏相關(guān)系數(shù)（圖5）。其結(jié)果在一定程度上可以表明濕潤指數(shù)的變化是多種氣侯因子共同作用的結(jié)果。

1977—2010年平均氣壓的標(biāo)準(zhǔn)化年際波動變化不大（圖4a），總體呈弱的減小趨勢，未通過顯著性檢驗。最高值變化起伏不大，只有在1984年出現(xiàn)一次最低值。平均風(fēng)速（圖4b）的年際變化趨勢在34a間呈顯著下降趨勢（速率為－0.065／10a），并通過了0.01水平的顯著性檢驗。年際變化震蕩相對平緩，風(fēng)速的減小使得空氣中的水分容易聚集，地表濕潤指數(shù)增加。1977—1983年風(fēng)速的下降速率最大，此外2003年的風(fēng)速達(dá)最低。34a平均氣溫（圖4c）的變化趨勢呈顯著上升（速率為0.077／10a），并通過了0.01水平的顯著性檢驗。34a氣溫變化與濕潤指數(shù)年際變化的走向相一致，說明二者呈正相關(guān)。圖4d為相對濕度的變化趨勢，圖中可以看出34a間相對濕度年際起伏變化震蕩相當(dāng)明顯，但總體呈微弱上升的趨勢，最明顯的波谷出現(xiàn)在1985年，1991年，2001年，最明顯的波峰出現(xiàn)在1989年，1993年，2003年。日照時數(shù)的年際變化趨勢（圖4e）呈顯著的下降趨勢（速率為－0.055／10a），通過0.01水平的顯著性檢驗。1990年和1998年出現(xiàn)兩次明顯的波動，1990年之前和1998年之后均為平穩(wěn)下降趨勢，與濕潤指數(shù)的增加呈負(fù)相關(guān)。降水量（圖4f）的變化在2001年出現(xiàn)了一次明顯的轉(zhuǎn)折，自2001年之后呈現(xiàn)顯著上升趨勢。它與濕潤指數(shù)呈正相關(guān)性，并且相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.803。

圖3 濕潤指數(shù)主要EOF模態(tài)空間分布

從濕潤指數(shù)與各氣象因子的偏相關(guān)系數(shù)（表略）可以得出，濕潤指數(shù)與降水量（系數(shù)為0.751）、相對濕度（系數(shù)為0.319）的顯著正偏相關(guān)（P＜0.01），對濕潤指數(shù)的上升起到了關(guān)鍵性的作用，與平均氣溫（系數(shù)為－0.254）呈顯著負(fù)偏相關(guān)（P＜0.01），與平均風(fēng)速的偏相關(guān)系數(shù)為－0.054（未通過檢驗），與日照時數(shù)的偏相關(guān)系數(shù)為0.040（未通過檢驗），這些氣候因素的增加導(dǎo)致濕潤指數(shù)的減小，反之則增加。綜上所述，降水量、氣溫、相對濕度等因素對濕潤指數(shù)的影響較大，但由于各個因素對其影響程度存在差異，降水量和平均相對濕度的偏相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平均氣溫的上升以及平均氣壓下降對濕潤指數(shù)的影響，加之風(fēng)速的顯著降低，日照時數(shù)的減少，導(dǎo)致降水量和相對濕度的上升是濕潤程度上升最顯著的因素。此外，平均氣壓的下降與氣溫的上升雖然會使地表濕潤程度降低，但是偏相關(guān)的結(jié)果說明其他氣候因子給濕潤程度帶來的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了這兩個氣象因子的影響。

各個氣候因子偏相關(guān)系數(shù)的空間分布如圖5所示。濕潤指數(shù)與降水量的偏相關(guān)（圖5a）呈明顯的南北空間差異分布型，與濕潤指數(shù)EOF的第二空間模態(tài)極為相似。南部相關(guān)系數(shù)較高在諾木洪（0.913）和都蘭（0.868）地區(qū)形成兩個高值閉合中心，北部的冷湖（0.553）出現(xiàn)閉合的低值中心。濕潤指數(shù)與日照時數(shù)的偏相關(guān)（圖5b）空間分布與降水量的偏相關(guān)分布具有反向分布特征，高值區(qū)集中在大柴旦（0.191）附近，低值區(qū)與降水偏相關(guān)的高值區(qū)分布一致，分布在諾木洪（－0.057）和都蘭（－0.050）。濕潤指數(shù)與濕度的偏相關(guān)（圖5c）空間分布大致呈中部向東西遞減的分布狀況，并在東南部的諾木洪（0.094）形成低值閉合中心。濕潤指數(shù)與氣溫的偏相關(guān)（圖5d）空間分布大致呈現(xiàn)從東南向西北遞減的負(fù)相關(guān)分布。東南形成一個高值反相關(guān)閉合區(qū)，分布在都蘭（－0.402）；西北形成一個低值反相關(guān)閉合區(qū)，分布在冷湖（－0.135）。

圖4 各氣候因子的年際變化趨勢

圖5 各氣候因子的偏相關(guān)系數(shù)空間分布

3 結(jié) 論

本文基于Penman－Monteith模型，Sen趨勢，Mann－Kendall檢驗，Hurst指數(shù)以及EOF模型計分析了34a柴達(dá)木盆地地表濕潤程度的時空變化特征以及未來變化趨勢，并運用偏相關(guān)分析方法討論了影響地表濕潤程度變化的氣候因子，主要結(jié)論如下：

（1）研究期間，柴達(dá)木盆地地表濕潤指數(shù)表現(xiàn)為增加趨勢，增幅為0.000 97a－1，蒸散量的下降速度比降水量增加的速度快，加之氣溫的快速上升，使研究區(qū)內(nèi)近年來暖濕化趨勢愈加明顯。經(jīng)Mann－Kendall突變檢驗得出柴達(dá)木盆地內(nèi)濕潤指數(shù)在1987年前后發(fā)生突變。從季節(jié)變化來看，夏季是濕潤程度最高的季節(jié)，秋季是濕潤化程度最快的季節(jié)。

（2）研究期間，柴達(dá)木盆地濕潤程度的空間分布表現(xiàn)為由東向西逐漸遞減，各站點平均濕潤指數(shù)為0.01～0.23。濕潤指數(shù)年際變化總體上呈弱的增加趨勢，傾向率為0.000 97a－1，其中東北部濕潤化程度最快，向西擴(kuò)展?jié)駶欀笖?shù)逐漸減小。

（3）研究期間，柴達(dá)木盆地濕潤指數(shù)的異?？臻g分布模態(tài)主要分為“東西空間差異”和“南北反向差異”兩個類型，且這兩種分布型呈上升趨勢。其中空間分布的主要趨勢是從東向西逐漸遞減。

（4）影響柴達(dá)木盆地地表濕潤特征的氣候因素有很多。其中降水量和相對濕度的上升是影響濕潤指數(shù)上升最顯著的因素。濕潤指數(shù)與降水量、相對濕度呈顯著正偏相關(guān)，與日照時數(shù)呈弱的正偏相關(guān)，與平均氣溫、平均風(fēng)速呈顯著負(fù)偏相關(guān)。

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